ヘテロジニアスな無線  同士の近接時の 制御方式の検討
理学専攻・情報科学コース

はじめに

近年，無線  の普及，動画ストリームや音声 などのマルチメディア通信の需要の増加によって，無線 環境においても，有線環境と同様に安定したマルチメディア通信を行いたいという欲求が高まっている．
しかし，無線環境においては，電波環境の変動や接続端末数の変動，ノイズによる通信品質の劣化などの問題により，通信中でも環境がダイナミックに変化するため，有線環境と同様の品質保証を行うことは非常に困難で ある．そのため，無線  環境おいて   制御を行うことは大変重要となっている．
しかし，無線環境においては，マルチホップネットワークやハンドオーバ  を伴う移動の   環境のように，アクセスポイント  は固定された状態で，端末のみが移動して通信するような環境 以下，移動通信環境，図  参照 のみならず，モバイルルータ，モバイルホットスポットなどの急速な普及から， と端末がどちらも自由に動き回るような環境（以下，モバイル通信環境，図  参照）についても考慮する必要がでてきている．さらに，多種多様なモバイル端末や  の増加により，使用端末や通信規格の違いなど，ヘテロジニアスなモバイル通信環境（以下，ヘテロジニアスな通信環境，図  参照）も考慮する必要がある．以上に示したよ
うな様々な無線  環境において，ユーザは常に同じ品質でアプリケーションが利用可能であることを要求する．しかしながら，考慮すべき課題が各通信環境で異なるため，それぞれの通信環境によって，ユーザが望む帯域を割り当てられるようなフレキシブルな制御が必要不可欠である．そこで，本研究では，それぞれの通信環境に応じた  制御を検討する．そのため，移動通信環境，モバイル通信環境，ヘテロジニアスな通信環境の各通信環境における無線  通信時の品質特性評価を行い，各通信環境に応じた  制御を検討する．

図  移動通信環境

図  モバイル通信環境

森内 彩加

 研究目的

本研究では，無線  環境の  実現に必要な要素技術のうち，以下の  点に焦点を当てた．
 点目は，様々な無線通信環境下での特性評価に関連する事象を調査することである．無線  環境においては，先にも述べたように，移動通信環境，モバイル通信環境，ヘテロジニアスな通信環境といった多様な通信環境が想定される．また，移動を伴う通信環境の増加により，通信距離がダイナミックに変動する．そこで，各通信環境において，  システム間の距離に応じた通信特性を検証する．また，スループットへの影響が懸念される事項として，他に通信相手の実験機器の仕様や通信特性が挙げられる．そこで，これらの問題が ，  及び  !  の性能に与える影響について調査する．
 点目は，移動通信環境，モバイル通信環境，ヘテロジニアスな通信環境の各環境に合わせた  制御を検討することである．各環境におけるスループット特性に応じて，  制御を検討していく．ユーザが望む品質公平性を得るためには，その品質特性を把握し，公平性制御を行うことが重要である．しかしながら，"#$ の機能を大きく変更するような制御や全ての端末に特殊なソフトウェアを導入するような制御は現実的ではない．そのため，外部からの制御で，容易に実現可能な手法を検討する．以下，各環境において考慮すべき  特性について述べる．

 検討課題¯ 移動通信環境： を伴う %&& 端末の移動通信において，移動端末も既存通信と同様に帯域確保できる条件を調査する．
¯ モバイル通信環境：モバイル通信環境下でフローごとの品質特性評価を行い，通信端末数に偏りがある際の特性の  つである「不公平」という問題に焦点を当て，不公平のメカニズムを検証する．また，  システム間の距離に注目し，  間距離に応じた通信特性の評価を行う．
¯ ヘテロジニアスな通信環境：使用チャネル差や通信規格などが異なるヘテロジニアスな通信環境について，  間距離に応じた通信特性を検証する．
¯ 制御手法：各通信環境下での通信特性を基にして，必要帯域を得るための制御手法の提案と評価を，各通信環境や   間距離に応じて行う．

本稿では，これらの検討課題のうち，' フレームの制御手法である ( ( )) % % %' * + を使用し，無線  のスループット比を任意に設定することを目標とした公平性制御について述
べる．



 を利用した優先制御方法
制御ポリシー  間距離とスループットは，何らかの方法で把図  ヘテロジニアスな通信環境握可能と仮定し，制御はネットワーク的に中立的な立場から第三者が行うものとする．本稿では，説明の簡単化のため， つの   間の制御について記すが，本稿で示す制御方法は， つ以上の   間の公平性制御にも容易に拡張可能である．以下，制御の詳細を述べる．

制御に使用する は，ある割合の ' フレームの送達を制御することで優先制御を行う．これは，例えば，"#$ の' 方式である ',  において， - をノイズエラーさせることで実現される．この  - エラーにより，"#$ がもともと持っている再送制御とバイナリバックオフ制御機能が働くため，非優先端末の送信機会が他に譲られることで，優先制御が実現される．端末ごと，あるいは   ごとに ' フレームの廃棄率をコントロールすれば，端末ごとにも   ごとにも制御可能である．

(

シミュレーションにおける制御効果の評価
シミュレータには   を使用し， . &/%0 モデル
により，複数   通信環境における距離に応じたスループット特性についてモデル化し，( 制御効果を確認する．図 1 の評価モデルの構成で，( で実現した  ! の ' フレーム廃棄率をパラメータとして，各   のスループットと   間距離の関係を図 2 に示す．縦軸は各   の  スループット，横軸は  つの   間距離 + としている．実線は，優先  ! のスループット，点線は非優先  !のスループットをそれぞれ意味する．

図 1 評価モデル

図 2 (

制御効果の評価

近距離になっても，優先   のスループットは，非優先   よりも大きくなっており，また，' フレーム廃棄率を変化させることで，スループットの差も変化している．このことは，任意のスループット比が得られるであろうことを示している．なお，近距離では，' フレームエラー増加に伴う 3* の増加で，多少異常なスループット値になっている．

実機による制御効果の評価
図 2 の評価結果から，  システムの近接度を認識している状態で，要求帯域を得るには，どの程度の強さで ' フレーム廃棄をかければよいのかということが明らかになった．一例として，一方のユーザが相手の  の  倍の帯域を得たいとする．このとき，相手の   が 〜4+ 離れているときには ( の強さを ' フレーム廃棄率5#％，また  倍の帯域を得たいとすると 〜1+ 離れているときには # ％ かければよい．そこで，実際の環境で，このような制御が可能なことを実機実験により示した．モバイル通信環境を想定しているため，送信端末にはスマートフォン，にはモバイルルータを使用した．図 1 と同じ，つまりシミュレーションと同じ条件で，実機での評価を行った結果，シミュレーションと同じ制御効果を得られることが確認できた．

 おわりに

上記に述べたように，我々は，無線  環境における通信品質をターゲットとし，様々な通信環境下での 特性やそれに付随する通信特性を調査した．さらに，移動通信環境，モバイル通信環境，ヘテロジニアスな通信環境の  つの通信環境における  制御について検討した．検討課題に対する結論をまとめる．

¯ 移動通信環境： を伴う %&& 端末の移動通信において，移動端末である  !  が，既存通信と同様に帯域確保できる 割り込める 条件は， と移動端末間の距離や  のバッファサイズに依存することを示した．また，  !  である ! が既存通信に割り込めない理由は，輻輳ウィンドウの違いにある．そこで，ノート  環境の輻輳ウィンドウ値と %&& 端末の   の輻輳ウィンドウ値の比較により，%&& 端末の輻輳ウィンドウは，輻輳時にもウィンドウサイズを下げすぎないようになっていることを明らかにした．
¯ モバイル通信環境：モバイル通信環境において，通信端末数が異なる場合に「不公平」が起こる理由について検証した．不公平は，ウインドウ切れが起こっている場合は， - ロスによって，グッドプットが低下してしまうことによって起こる．一方で，ウィンドウ切れが起こらない場合は，' のスループットの低下と  - ロス率が原因であることを明らかにした．また，  間距離に応じたスループット特性について解析し，複数   が',  による待ちに入ある場合には，端末がる時間が長いため，スループットがむしろ低くなってしまうことを示した．
¯ ヘテロジニアスな通信環境：ヘテロジニアスな通信環境として，チャンネル差  である複数の  システムが近接した場合と異種   を使用した   システムが近接した場合について，
フローの特性評価を行った．これにより，自局の  システムの通信特性が，他局の   システムの通信特性に大きく影響されることを示した．
¯ 制御手法：各通信環境下での通信特性を基にして，必要帯域を得るための各通信環境や   間距離に応じた制御手法の提案と評価を行った．モバイル
通信環境における制御としては，( を用いることによって，不公平性が緩和できることを示した．
さらに，  間距離に応じて，必要帯域を得る手法として，( や制御   を利用し，ユーザが要求する帯域を得られることを確認した．
ヘテロジニアスな通信環境においては，最適なチャネル割り当て手法の提案や異種   混在時の性能改善手法の提案を行い，その有効性を評価した．
中でも本稿では，通信相手の   システムとの属性・構成の違いによる不公平を是正するために，( を使用する方法について述べた．本提案公平性制御について，効果をシミュレーションと実機実験により確認し，必要帯域割合に応じた   ごとの公平性制御が可能であることを示した．